经典案例 | 豇豆基因组研究揭示驯化改良潜在基因位点以及产量/品质提升新发现
近期，浙江省农业科学院和浙江大学共同通讯，在Nature Genetics上发表研究成果，报道了粮用普通豇豆和菜用长豇豆高质量基因组，利用GWAS鉴定了关键农艺性状相关基因，并拟议了豇豆驯化和改良模式。
文章题目
Differential selection of yield and quality traits has shaped genomic signatures of cowpea domestication and improvement
第一作者：Xinyi Wu, Zhongyuan Hu
通讯作者：Mingfang Zhang, Guojing Li
通讯单位：浙江省农业科学院和浙江大学共同通讯
杂志：Nature Genetics
影响因子：30.8/Q1
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41588-024-01722-w
研究背景
豆类作物在为人类饮食提供均衡营养和维持发展中区域，特别是非洲国家的粮食和营养安全方面具有很高的潜力。豇豆(Vigna unguiculata L. Walp.，2n=2x=22)，是撒哈拉以南非洲的特有种，在世界范围内被种植为谷物、蔬菜或牲畜饲料。驯化豇豆已形成两个主要栽培亚种：粮用普通豇豆(V. unguiculata ssp. unguiculata)和菜用长豇豆(V. unguiculata ssp. sesquipedalis)。
先前的研究报告了一些控制豇豆驯化和改良性状的数量性状位点(QTLs)，如裂荚性(PS)、豆荚长度(PL)和每荚粒数(GNP)等。然而，与亚种分化相关的全基因组遗传变异在很大程度上仍不为人所知.虽然高质量粮用普通豇豆基因组已经发布，但有关菜用长豇豆基因组的信息仍然很少。
技术方案
Illumina➕PacBio➕Hi-C综合测序
系统发育和基因组结构变异分析
种群结构和基因组多样性分析
全基因组关联研究(GWAS)
研究意义
研究阐明了与豇豆重要农艺性状相关的全基因组遗传变异特征，并为豇豆亚种的驯化和改良提供了基因组见解，产量和品质等关键性状的差异基因组选择将有助于对粮用普通豇豆和菜用长豇豆进行双向互惠改良。
▲菜用长豇豆G98和粮用普通豇豆G323的高质量基因组组装
利用Illumina、PacBio和Hi-C综合测序对菜用长豇豆G98和粮用普通豇豆G323进行测序，所得的基因组大小为568.24 Mb(scaffold N50=49.41 Mb)和552.66 Mb(scaffold N50=49.35 Mb)；CEGMA、BUSCO等方法评估基因组质量较高；分别在G98和G323基因组中注释了33,159和33,222个基因；G98和G323分别有6.97%和55.25%的片段被标注为重复序列，其中G98和G323的转座元件含量分别为44.56%和44.57%。
▲豇豆系统发育分析和基因组结构变异
25个植物基因组的最大似然系统发育树显示，豇豆与赤小豆(V. angularis)和绿豆(V. radiata)密切相关，并且它们明显在大约6~27Mya分化，这与先前的报道一致。在G98和G323基因组中，分别有512和396个基因家族显著扩增。
研究人员以G323为参照，对两个基因组进行了比较基因组分析。G98基因组共鉴定出2219,947个 SNPs，其中38,420个SNPs可能导致基因功能改变；共有407,119个indels在G98中被鉴定出来，其中62.50%可能导致蛋白质编码改变；在G98中鉴定出13541个SVs(≥50 bp)，包括963个TRANS， 74个INVs和3701个DUPs， 7112个PAVs和1691个CNVs。
▲344个豇豆品种的种群结构和基因组多样性
共选择来自不同地理区域的344份豇豆材料进行全基因组重测序，筛选出1,262,497个高置信度SNPs用于群体结构分析。将豇豆种质区分为粮用普通豇豆(G)、菜用长豇豆地方品种(VL)和菜用长豇豆栽培品种(VC)三个亚群(下文中多出现简称)，估算了三个亚种群或具有多个物种的群体的核苷酸多样性(π)和群体差异(FST)，发现G组(π=0.0007)核苷酸多样性显著高于VL组(π=0.00047)和VC组(π=0.00024)；G-VC(0.1903)和G-VL(0.0924)的FST值均高于VC-VL(0.0498)；此外，G组的连锁不平衡衰减速度快于VL和VC组，表明粮用普通豇豆的遗传重组程度更高。
▲ 豇豆选择性扫描的全基因组分布和四种不同性状的GWAS
为了研究自然或人工选择如何影响豇豆的分化，研究人员通过比较三个亚群之间的选择扫描来搜索豇豆基因组中的选择特征，使用XP-CLR分析分别在G与VL、VL与VC和G与VC中发现了189、156和196个潜在的选择位点。共有3212个和2972个基因位于选择性区域，分别与G与VL和G与VC的分化相关；而2650个基因位于与VL与VC的改善相关区域；其中，3个两两组共鉴定出239个基因，说明这些基因可能在豇豆驯化改良过程中经历了长期持续的选择，也可能是由于邻近位点的“搭便车效应”而被无意选择的。
PS丧失被认为是一种驯化综合征事件。因此，在G到VL豇豆驯化过程中，对PS位点的强烈和持续的选择是意料之中的。然而，在菜用长豇豆豇豆改良(VL到VC)过程中，PS-1.2、PS-3.1、PS-4.1和PS-6.1被零星地重新引入4个蔬菜品种中。造成这种现象的一个可能原因是，这些基因座可能是通过“搭便车”效应与邻近基因一起被选择的，因为在这些PS基因座附近发现了一些耐旱、抗病和农艺性状相关的基因或基因座(如PTS-1.1、DT3.4、DT4.1、QRk-vu11.1、CPdel5和DT8.4)。
通过选择性扫描检测和GWAS分析，共鉴定出与荚果总淀粉含量(PTS)、籽粒总淀粉含量(STS)、GNP、荚果可溶性糖含量(PSS)和PL相关的18个信号。还发现超过70个已知的耐旱性、抗病性和农艺性状位点与选择区域重叠。在SNP-GWAS中发现了17个与驯化综合征相关的显著性状之一的PS信号，在InDel-GWAS中也发现了8个。
▲ 豇豆中的PS相关基因鉴定
多个PS位点的发现将提高将有益的非碎裂等位基因转化为易碎裂籽粒豇豆的潜力，从而使抗PS品种的选育成为可能。另一方面，与抗旱性或抗病性相关的基因座(DTs、Mac-4、QRk-vu1.1、Fot3-1和FwRs)在VC豇豆中很少出现多样性，这在很大程度上与VC豇豆的抗旱性低于G豇豆的原因一致。在4份VC材料中，有利的胁迫相关等位基因和不利的PS位点共存，表明它们之间存在潜在的连锁阻滞。这一发现为避免在菜用长豇豆抗逆性改良过程中再次引入PS基因提供了理论支持。
▲豇豆产量性状相关基因挖掘
PL、GNP和TSW是影响豇豆产量的重要因素，而淀粉是影响豇豆作物品质和营养的关键因素。VL和VC组豇豆的PL和GNP值通常高于G组豇豆，这可能与VuPL1、VuPL4和VuGNP1基因的有利单倍型有关。中国粮用普通豇豆的干种子产量约为1,022 kg ha-1，远高于非洲；而菜用长豇豆的种子产量在1,500~2,250 kg ha-1(未公布数据)，主要是由于种植周期更长等因素。因此，研究结果表明，这些有益的单倍型在提高谷物豇豆产量方面具有广阔的应用前景，这将有助于缓解发展中地区的粮食供给问题。
▲豇豆品质性状相关基因挖掘
产量相关基因和品质相关基因在3个亚群体(G、VL和VC)中的多态性和分布揭示了豇豆表型分化的遗传基础。例如，粮用普通豇豆通常比菜用长豇豆具有更高的TSW、PTS、STS和SSS(籽粒可溶性糖)值，这四种性状的九个有利等位基因在粮用普通豇豆中普遍发现；相反，VuPTS1、vuss1和VuTSW2基因的有利等位基因在菜用长豇豆中很少被发现，而VuTSW1-HapII和VuSSS1-HapI的有利等位基因在普通豇豆豇豆中比在菜用长豇豆中被选择得更强。
粮用普通豇豆比菜用长豇豆具有更低的SCP，这可能与大豆中SSS和STS的过度积累以及更高的TSW有关，因为大豆中总糖和种子大小与蛋白质含量呈负相关。此外，对粮用普通豇豆口感品质的人为选择可能是其SCP较低的另一个原因，较高的蛋白质含量可能会增加籽粒硬度。两个VuSCP基因的有利等位基因以及有利VuSTS2-HapII和VuSTS5-HapII在菜用长豇豆中更为常见，这表明它们有潜力成为粮用普通豇豆淀粉和蛋白质平衡改良的遗传资源。相比之下，豇豆驯化过程中PSS的增加可能是由有利的VuPSS等位基因堆叠驱动的。这一发现为优质菜用长豇豆的精准育种提供了有益指导。
▲拟议的豇豆驯化和改良模式
